工业固废基矿山生态修复土壤改良剂及其制备方法与用途与流程

本发明涉及土壤改良，具体涉及一种工业固废基矿山生态修复土壤改良剂及其制备方法与用途。

背景技术：

1、恢复矿山的生物多样性是矿山生态修复中最关键的一步，通过修复微生态环境，才能从根本上解决矿山生态修复的问题。施用土壤改良剂是进行矿山生态修复的一种常用方式。

2、粉煤灰是燃煤电厂产生的一种工业固体废物。污泥是城市污水处理过程中产生的一种污染物的集合体，其中存在大量有害有机物、累积的重金属和病原体。煤矸石是煤矿生产过程中产生的固体废物，是在煤矿的开拓掘进、采煤以及煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石。相关技术中存在利用粉煤灰、污泥或者煤矸石制备土壤改良剂的技术。

3、然而，在实现本发明的过程中，发明人发现，相关技术中在利用粉煤灰、污泥或者煤矸石这三种固废制备土壤改良剂时，存在能耗过高、固废利用率低、操作困难以及微生物生存环境差等缺陷。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种工业固废基矿山生态修复土壤改良剂及其制备方法与用途，以解决相关技术中在利用粉煤灰、污泥或者煤矸石这三种固废制备土壤改良剂时存在的能耗过高、固废利用率低、操作困难以及微生物生存环境差的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种制备工业固废基矿山生态修复土壤改良剂的方法，包括如下步骤：

3、对污泥的水热碳化产物进行拟青霉菌接种并培养，得到水热污泥生物炭；

4、将煤矸石的粉碎产物与人工配制养料及无机盐溶液混合培养，所得产物经固液分离，得到煤矸石颗粒和煤矸石浸出液；

5、将粉煤灰与纳米过氧化脲于溶液中混合，制备得到uhp@pfa复合材料；

6、将所述水热污泥生物炭、所述煤矸石颗粒与所述uhp@pfa复合材料混匀，得到复合工业固废；

7、对所述复合工业固废进行熟化处理。

8、在本发明提供的上述制备工业固废基矿山生态修复土壤改良剂的方法中，采用水热污泥生物炭、煤矸石颗粒及uhp@pfa复合材料制备土壤改良剂，至少具备如下有益效果：

9、(1)水热碳化法制备的污泥生物炭相较于热解法制备的污泥生物炭能够保留更多的有机碳，具有更强的固化重金属及富集氮、磷等营养元素的能力；通过模拟自然的碳化技术对污泥进行水热碳化，再以水热碳化产物为基质接种拟青霉菌得到水热污泥生物炭，该水热污泥生物炭的孔隙率高、微观结构丰富且营养元素含量高，可辅助土壤改良剂进行土壤修复，有效改善土壤质量，提高土壤水分保持力和养分含量，减少温室气体排放，还可以吸附土壤中的重金属，对土壤的化学和生物性质产生积极影响，添加该水热污泥生物炭可以增加土壤生物量和土壤酶活性，同时生物炭价格低廉，具有较高的生态效益和经济效益；此外，水热污泥生物炭的添加能够调节土壤的ph值呈偏酸性，利于植物对金属离子的吸收，还可以显著提高土壤细菌群落中伯克氏菌科的丰富度，通过调节土壤理化性状，改善植物生长的微生态环境，进而促进植物的生长具有潜在的利用价值；再者，水热污泥生物炭的制备条件温和，制备过程简单，微观结构丰富，营养元素含量高，同时价格低廉，能够提高对污泥这一工业固废的利用率，降低工业固废利用过程中的能耗和操作难度；

10、(2)煤矸石可以抑制土壤膨胀，改善土壤理化性质；煤矸石中有机物、氮、磷、钾含量较高，可为植物生长提供所必需的营养元素，高含量的腐殖酸可增强土壤生物活性，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤保持水分和养分的能力，丰富土壤微生物群落多样性以及提高土壤微生物总量；同时一些钼、硼、硫等营养元素能增加土壤中微量元素和营养元素的含量；煤矸石应用在土壤改良剂中，可以通过影响土壤中微生物的数量及活性提高土壤肥力，促进养分转化，建成自我维持系统，完成土壤再利用；同时可以进行离子交换，减少土壤中重金属含量；

11、(3)在uhp@pfa复合材料中，过氧化脲纳米颗粒通过表面沉淀法负载于粉煤灰表面以及孔隙中，能够大大提高材料的吸附量，具有一定的经济性和可行性，而且，采用废弃粉煤灰作为原料，成本低廉；同时，粉煤灰表面负载纳米过氧化脲后，具有更大的比表面积和孔隙率，20℃条件下，复合材料的最大吸附容量为187.7mg/g，随着复合材料的增加，土壤的ph值、有效磷、速效钾、全氮和有机质均逐渐增加，可有效改善酸性土壤的ph值。

12、在一种可选的实施方式中，所述水热污泥生物炭、所述煤矸石颗粒与所述uhp@pfa复合材料的重量之比为1：(1～5)：(2～3)。

13、在一种可选的实施方式中，所述对所述复合工业固废进行熟化处理，包括：

14、对所述煤矸石浸出液进行细菌分离、驯化和培养，得到菌悬液；

15、将所述菌悬液与巨大芽孢杆菌混合，得到复合菌种；

16、利用所述复合菌种以及腐熟剂对所述复合工业固废进行熟化处理；

17、可选地，所述复合菌种、所述复合工业固废与所述腐熟剂的重量之比为(0.1～0.5)：80：(5～30)；

18、可选地，在所述复合菌种中，细菌总浓度为4×107cfu/ml～8×107cfu/ml，巨大芽孢杆菌的浓度为3×107cfu/ml～5×107cfu/ml；

19、可选地，所述腐熟剂包括畜禽粪便、作物秸秆、杂草、锯末木屑和谷糠中的至少一种；

20、可选地，所述熟化处理的时间为20～30天。

21、在一种可选的实施方式中，所述污泥的水热碳化产物的制备过程包括：

22、将含水污泥进行水热碳化处理，所得产物经洗涤、过滤、干燥，得到所述污泥的水热碳化产物；

23、可选地，所述含水污泥的含水率不低于80％；

24、可选地，所述水热碳化处理的条件包括：碳化压力为20～35bar，碳化温度为180～230℃，碳化时间为2～8h；

25、可选地，所述干燥的条件包括：干燥温度为45～65℃，干燥时间为12～24h。

26、在一种可选的实施方式中，所述对污泥的水热碳化产物进行拟青霉菌接种并培养，包括：

27、将所述污泥的水热碳化产物破碎为粒径0.125～0.180mm的颗粒，然后接种拟青霉菌菌液，在保持水热碳化产物湿润的情况下，于20～30℃的恒温条件下覆膜培养15～20d；

28、可选地，所述拟青霉菌菌液中拟青霉菌的浓度为1×107cfu/ml～3×107cfu/ml；

29、可选地，所述污泥的水热碳化产物与所述拟青霉菌菌液的用量之比为(70～90)：(0.025～0.075)，g：ml。

30、在一种可选的实施方式中，所述煤矸石的粉碎产物的粒径小于0.05mm；

31、和/或，所述人工配制养料包括水、维生素、碳水化合物、含氮物质和微量元素或专用的培养基；

32、和/或，所述无机盐溶液包括氯化钠溶液、磷酸二氢钾溶液、磷酸氢二钾溶液、硫酸亚铁溶液和硝酸钾溶液的至少一种，所述无机盐溶液的浓度为0.5～1.5mol/l；

33、和/或，所述煤矸石的粉碎产物、所述人工配制养料与所述无机盐溶液的重量之比为(10～20)：(5～20)：(80～100)；

34、和/或，所述混合培养的条件包括：培养温度为20～30℃，培养时间为12～48h。

35、在一种可选的实施方式中，在将所述粉煤灰与所述纳米过氧化脲于溶液中混合之前，还包括对所述粉煤灰进行预处理的步骤：

36、将所述粉煤灰进行洗涤并去除其中的碳酸氢铵，然后于75～85℃的真空干燥箱中烘干，冷却后研磨至粒径不超过0.180mm。

37、优选地，粉煤灰与纳米过氧化脲的配比为1-4:1-2。示例性地，粉煤灰与纳米过氧化脲的配比可以为1:1，或1:2，或4:1，或4:2。

38、在一种可选的实施方式中，所述纳米过氧化脲的制备过程包括：

39、向母液中加入十二烷基硫酸钠、过氧化氢和尿素，于40～50℃下搅拌30～40min，然后冷却至2～4℃后结晶12～18h，分离晶体并干燥，得到所述纳米过氧化脲；其中，所述母液中含有尿素、过氧化氢和去离子水；

40、可选地，在所述母液中，尿素的含量为10～20g/ml，过氧化氢的含量为50～100％；

41、可选地，相对于100ml所述母液，十二烷基硫酸钠的加入量为10～15g，30％过氧化氢的加入量为50～100ml，尿素的加入量为10～20g；

42、可选地，所述干燥的温度为30～40℃。

43、第二方面，本发明提供了采用上述方法制备得到的工业固废基矿山生态修复土壤改良剂。

44、第三方面，本发明提供了上述工业固废基矿山生态修复土壤改良剂在矿山生态修复中的用途。